Was ist ein Koordinatenmessgerät?

AKoordinatenmessgerät(CMM) ist ein Gerät, das die Geometrie physischer Objekte misst, indem es diskrete Punkte auf der Oberfläche des Objekts mit einer Sonde erfasst.In KMGs werden verschiedene Arten von Sonden verwendet, darunter mechanische, optische, Laser- und Weißlicht-Sonden.Je nach Maschine kann die Sondenposition manuell von einem Bediener oder computergesteuert gesteuert werden.KMGs geben die Position eines Tasters typischerweise anhand seiner Verschiebung von einer Referenzposition in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (dh mit XYZ-Achsen) an.Neben der Bewegung des Tasters entlang der X-, Y- und Z-Achse ermöglichen viele Maschinen auch die Steuerung des Tasterwinkels, um die Messung von Oberflächen zu ermöglichen, die sonst nicht erreichbar wären.

Das typische 3D-„Brücken“-KMG ermöglicht die Bewegung des Tasters entlang der drei Achsen X, Y und Z, die in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem orthogonal zueinander sind.Jede Achse verfügt über einen Sensor, der die Position der Sonde auf dieser Achse typischerweise mit Mikrometergenauigkeit überwacht.Wenn die Sonde eine bestimmte Stelle auf dem Objekt berührt (oder auf andere Weise erkennt), tastet die Maschine die drei Positionssensoren ab und misst so die Position eines Punktes auf der Oberfläche des Objekts sowie den dreidimensionalen Vektor der durchgeführten Messung.Dieser Vorgang wird bei Bedarf wiederholt, wobei die Sonde jedes Mal bewegt wird, um eine „Punktwolke“ zu erzeugen, die die interessierenden Oberflächenbereiche beschreibt.

KMGs werden häufig in Fertigungs- und Montageprozessen eingesetzt, um ein Teil oder eine Baugruppe anhand der Konstruktionsabsicht zu testen.Bei solchen Anwendungen werden Punktwolken generiert, die über Regressionsalgorithmen zur Konstruktion von Features analysiert werden.Diese Punkte werden mithilfe einer Sonde erfasst, die manuell von einem Bediener oder automatisch über Direct Computer Control (DCC) positioniert wird.DCC-KMGs können so programmiert werden, dass sie wiederholt identische Teile messen.Somit ist ein automatisiertes KMG eine spezielle Form eines Industrieroboters.

Teile

Koordinatenmessgeräte bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Die Hauptstruktur umfasst drei Bewegungsachsen.Das zur Konstruktion des beweglichen Rahmens verwendete Material hat sich im Laufe der Jahre verändert.In den frühen KMGs wurden Granit und Stahl verwendet.Heutzutage bauen alle großen KMG-Hersteller Rahmen aus einer Aluminiumlegierung oder einem Derivat davon und verwenden auch Keramik, um die Steifigkeit der Z-Achse für Scananwendungen zu erhöhen.Heutzutage stellen nur noch wenige KMG-Hersteller Granitrahmen-KMG her, da der Markt eine verbesserte Messdynamik verlangt und der Trend zur Installation von KMG außerhalb des Qualitätslabors zunimmt.Typischerweise fertigen nur noch KMG-Hersteller mit geringem Volumen und inländische Hersteller in China und Indien Granit-KMG aufgrund des geringen Technologieansatzes und des einfachen Einstiegs in die Tätigkeit als KMG-Rahmenbauer.Der zunehmende Trend zum Scannen erfordert auch eine steifere KMG-Z-Achse und die Einführung neuer Materialien wie Keramik und Siliziumkarbid.
• Sondierungssystem
• System zur Datenerfassung und -reduzierung – umfasst typischerweise eine Maschinensteuerung, einen Desktop-Computer und Anwendungssoftware.

Verfügbarkeit

Diese Maschinen können freistehend, handgehalten und tragbar sein.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten wird typischerweise als Unsicherheitsfaktor als Funktion über die Entfernung angegeben.Bei einem KMG mit Messtaster betrifft dies die Wiederholgenauigkeit des Messtasters und die Genauigkeit der linearen Maßstäbe.Die typische Wiederholbarkeit der Sonde kann zu Messungen innerhalb von 0,001 mm oder 0,00005 Zoll (einem halben Zehntel) über das gesamte Messvolumen führen.Bei 3-, 3+2- und 5-Achsen-Maschinen werden die Messtaster routinemäßig mit rückverfolgbaren Standards kalibriert und die Maschinenbewegung wird mithilfe von Messgeräten überprüft, um die Genauigkeit sicherzustellen.

Spezifische Teile

Maschinenkörper

Das erste KMG wurde in den 1950er-Jahren von der Ferranti Company of Scotland aus dem direkten Bedarf heraus entwickelt, Präzisionskomponenten in ihren Militärprodukten zu messen, obwohl diese Maschine nur über zwei Achsen verfügte.Die ersten 3-Achsen-Modelle kamen in den 1960er-Jahren auf den Markt (DEA in Italien) und die Computersteuerung kam Anfang der 1970er-Jahre auf den Markt, doch das erste funktionierende KMG wurde von Browne & Sharpe in Melbourne, England, entwickelt und zum Verkauf angeboten.(Leitz Deutschland produzierte daraufhin eine feste Maschinenstruktur mit beweglichem Tisch.

Bei modernen Maschinen besteht der Portalaufbau aus zwei Beinen und wird oft als Brücke bezeichnet.Dieses bewegt sich frei entlang des Granittisches, wobei ein Bein (oft als Innenbein bezeichnet) einer Führungsschiene folgt, die an einer Seite des Granittisches angebracht ist.Das gegenüberliegende Bein (häufig das Außenbein) ruht einfach auf dem Granittisch und folgt dabei der vertikalen Oberflächenkontur.Luftlager sind die gewählte Methode, um einen reibungsfreien Lauf zu gewährleisten.Dabei wird Druckluft durch eine Reihe sehr kleiner Löcher in einer flachen Lagerfläche gedrückt, um ein gleichmäßiges, aber kontrolliertes Luftkissen zu schaffen, auf dem sich das KMG nahezu reibungsfrei bewegen kann, was durch Software ausgeglichen werden kann.Die Bewegung der Brücke oder des Portals entlang des Granittisches bildet eine Achse der XY-Ebene.Die Brücke des Portals enthält einen Schlitten, der sich zwischen den Innen- und Außenbeinen bewegt und die andere horizontale X- oder Y-Achse bildet.Die dritte Bewegungsachse (Z-Achse) wird durch die Hinzufügung einer vertikalen Pinole oder Spindel bereitgestellt, die sich durch die Mitte des Schlittens auf und ab bewegt.Der Tastkopf bildet die Tastvorrichtung am Ende der Pinole.Die Bewegung der X-, Y- und Z-Achse beschreibt vollständig den Messbereich.Um die Annäherungsmöglichkeit des Messtasters an komplizierte Werkstücke zu verbessern, können optionale Drehtische eingesetzt werden.Der Drehtisch als vierte Antriebsachse erweitert die Messabmessungen, die weiterhin dreidimensional bleiben, nicht, bietet aber eine gewisse Flexibilität.Einige Tastköpfe sind selbst angetriebene Drehgeräte, bei denen die Tastspitze vertikal um mehr als 180 Grad und um eine vollständige Drehung um 360 Grad geschwenkt werden kann.

Mittlerweile sind KMGs auch in verschiedenen anderen Formen erhältlich.Dazu gehören KMG-Arme, die Winkelmessungen an den Gelenken des Arms verwenden, um die Position der Stiftspitze zu berechnen, und die mit Sonden für Laserscanning und optische Bildgebung ausgestattet werden können.Solche Arm-KMGs werden häufig dort eingesetzt, wo ihre Tragbarkeit einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Festbett-KMGs darstellt. Durch die Speicherung gemessener Positionen ermöglicht die Programmiersoftware auch die Bewegung des Messarms selbst und seines Messvolumens um das zu messende Teil während einer Messroutine.Da KMG-Arme die Flexibilität eines menschlichen Arms imitieren, sind sie oft auch in der Lage, das Innere komplexer Teile zu erreichen, die mit einer Standard-Dreiachsenmaschine nicht abgetastet werden könnten.

Mechanische Sonde

In den Anfängen der Koordinatenmessung (KMG) wurden mechanische Messtaster in einer speziellen Halterung am Ende der Pinole befestigt.Eine sehr verbreitete Sonde wurde hergestellt, indem eine harte Kugel an das Ende eines Schafts gelötet wurde.Dies war ideal für die Messung einer ganzen Reihe flacher, zylindrischer oder sphärischer Oberflächen.Andere Sonden wurden auf bestimmte Formen, beispielsweise einen Quadranten, geschliffen, um die Messung spezieller Merkmale zu ermöglichen.Diese Sonden wurden physisch an das Werkstück gehalten, wobei die Position im Raum von einer 3-Achsen-Digitalanzeige (DRO) abgelesen oder, in fortschrittlicheren Systemen, über einen Fußschalter oder ein ähnliches Gerät in einen Computer eingeloggt wurde.Mit dieser Kontaktmethode durchgeführte Messungen waren oft unzuverlässig, da Maschinen von Hand bewegt wurden und jeder Maschinenbediener unterschiedlich viel Druck auf die Sonde ausübte oder unterschiedliche Techniken für die Messung anwendete.

Eine Weiterentwicklung war die Hinzufügung von Motoren zum Antrieb jeder Achse.Die Bediener mussten die Maschine nicht mehr physisch berühren, sondern konnten jede Achse über eine Handbox mit Joysticks steuern, ähnlich wie bei modernen ferngesteuerten Autos.Die Messgenauigkeit und -präzision haben sich mit der Erfindung des elektronischen Tastkopfes deutlich verbessert.Der Pionier dieses neuen Tastkopfgeräts war David McMurtry, der später die heutige Renishaw plc gründete.Obwohl es sich immer noch um ein Kontaktgerät handelte, verfügte der Tastkopf über einen federbelasteten Stahlkugel- (später Rubinkugel-)Stift.Als der Taster die Oberfläche des Bauteils berührte, wurde der Stift ausgelenkt und gleichzeitig die X-, Y- und Z-Koordinateninformationen an den Computer gesendet.Durch einzelne Bediener verursachte Messfehler wurden geringer und die Voraussetzungen für die Einführung von CNC-Operationen und das Erwachsenwerden von KMGs waren geschaffen.

Optische Sonden sind Linsen-CCD-Systeme, die wie mechanische Sonden bewegt werden und auf den interessierenden Punkt gerichtet sind, anstatt das Material zu berühren.Das aufgenommene Bild der Oberfläche wird in den Rändern eines Messfensters eingeschlossen, bis der Rückstand für den Kontrast zwischen schwarzen und weißen Zonen ausreicht.Die Teilungskurve kann auf einen Punkt berechnet werden, der der gewünschte Messpunkt im Raum ist.Die horizontalen Informationen auf dem CCD sind 2D (XY) und die vertikale Position ist die Position des kompletten Tastsystems auf dem Stativ-Z-Antrieb (oder einer anderen Gerätekomponente).

Rastersondensysteme

Es gibt neuere Modelle, die über Sonden verfügen, die in bestimmten Abständen über die Oberfläche des Teils ziehen und dabei Punkte erfassen, sogenannte Scan-Sonden.Diese Methode der KMG-Prüfung ist oft genauer als die herkömmliche Touch-Probe-Methode und meist auch schneller.

Die nächste Generation des Scannens, das sogenannte berührungslose Scannen, das Hochgeschwindigkeits-Laser-Einzelpunkttriangulation, Laserlinienscannen und Weißlichtscannen umfasst, schreitet sehr schnell voran.Bei dieser Methode werden entweder Laserstrahlen oder weißes Licht verwendet, die auf die Oberfläche des Teils projiziert werden.Anschließend können viele tausend Punkte erfasst und nicht nur zur Überprüfung von Größe und Position, sondern auch zur Erstellung eines 3D-Bildes des Teils verwendet werden.Diese „Punktwolkendaten“ können dann an eine CAD-Software übertragen werden, um ein funktionierendes 3D-Modell des Teils zu erstellen.Diese optischen Scanner werden häufig an weichen oder empfindlichen Teilen oder zur Erleichterung des Reverse Engineering eingesetzt.

Mikromesssonden

Ein weiterer aufstrebender Bereich sind Messsysteme für Mikromessanwendungen.Es gibt mehrere im Handel erhältliche Koordinatenmessgeräte (KMG), in deren System eine Mikrosonde integriert ist, mehrere Spezialsysteme in staatlichen Labors und eine beliebige Anzahl universitärer Messplattformen für Mikromesstechnik.Obwohl es sich bei diesen Maschinen um gute und in vielen Fällen ausgezeichnete Messplattformen mit nanometrischen Maßstäben handelt, liegt ihre Hauptbeschränkung in einer zuverlässigen, robusten und leistungsfähigen Mikro-/Nanosonde.^{[Zitat erforderlich]}Zu den Herausforderungen für Sondierungstechnologien im Mikromaßstab gehört die Notwendigkeit einer Sonde mit hohem Seitenverhältnis, die den Zugriff auf tiefe, schmale Merkmale mit geringen Kontaktkräften ermöglicht, ohne die Oberfläche zu beschädigen, und eine hohe Präzision (Nanometerebene).^{[Zitat erforderlich]}Darüber hinaus sind Mikrosonden anfällig für Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Oberflächenwechselwirkungen wie Haftreibung (verursacht unter anderem durch Adhäsion, Meniskus und/oder Van-der-Waals-Kräfte).^{[Zitat erforderlich]}

Zu den Technologien zur Erzielung mikroskaliger Sonden gehören unter anderem verkleinerte Versionen klassischer KMG-Sonden, optische Sonden und eine Stehwellensonde.Aktuelle optische Technologien können jedoch nicht klein genug skaliert werden, um tiefe, schmale Merkmale zu messen, und die optische Auflösung ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt.Die Röntgenbildgebung liefert ein Bild des Merkmals, jedoch keine rückverfolgbaren messtechnischen Informationen.

Physikalische Prinzipien

Es können optische Sonden und/oder Lasersonden (wenn möglich in Kombination) eingesetzt werden, die KMGs zu Messmikroskopen oder Multisensor-Messmaschinen machen.Streifenprojektionssysteme, Theodolit-Triangulationssysteme oder Laser-Entfernungs- und Triangulationssysteme werden nicht als Messgeräte bezeichnet, aber das Messergebnis ist dasselbe: ein Raumpunkt.Lasersonden werden verwendet, um den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Referenzpunkt am Ende der kinematischen Kette (d. h. Ende der Z-Antriebskomponente) zu erfassen.Dies kann eine interferometrische Funktion, Fokusvariation, Lichtablenkung oder ein Strahlabschattungsprinzip nutzen.

Tragbare Koordinatenmessgeräte

Während herkömmliche KMGs eine Sonde verwenden, die sich auf drei kartesischen Achsen bewegt, um die physikalischen Eigenschaften eines Objekts zu messen, verwenden tragbare KMGs entweder Gelenkarme oder, im Fall optischer KMGs, armlose Scansysteme, die optische Triangulationsmethoden verwenden und völlige Bewegungsfreiheit ermöglichen um das Objekt herum.

Tragbare KMGs mit Gelenkarmen verfügen über sechs oder sieben Achsen, die anstelle von Linearachsen mit Drehgebern ausgestattet sind.Tragbare Arme sind leicht (normalerweise weniger als 20 Pfund) und können fast überall getragen und verwendet werden.Optische KMGs werden jedoch zunehmend in der Industrie eingesetzt.Optische KMGs sind mit kompakten Linear- oder Matrix-Array-Kameras (wie Microsoft Kinect) ausgestattet. Sie sind kleiner als tragbare KMGs mit Armen, verfügen über keine Kabel und ermöglichen Benutzern die einfache Durchführung von 3D-Messungen aller Arten von Objekten, die sich nahezu überall befinden.

Bestimmte sich nicht wiederholende Anwendungen wie Reverse Engineering, Rapid Prototyping und groß angelegte Inspektionen von Teilen aller Größen eignen sich ideal für tragbare KMGs.Die Vorteile tragbarer KMGs sind vielfältig.Benutzer haben die Flexibilität, 3D-Messungen aller Arten von Teilen und an den entlegensten/schwierigsten Standorten durchzuführen.Sie sind einfach zu bedienen und erfordern keine kontrollierte Umgebung, um genaue Messungen durchzuführen.Darüber hinaus kosten tragbare KMGs tendenziell weniger als herkömmliche KMGs.

Der inhärente Nachteil tragbarer KMGs ist die manuelle Bedienung (zur Bedienung ist immer ein Mensch erforderlich).Darüber hinaus kann ihre Gesamtgenauigkeit etwas ungenauer sein als die eines Brücken-KMG und ist für einige Anwendungen weniger geeignet.

Multisensor-Messmaschinen

Die traditionelle KMG-Technologie mit Messtastern wird heute häufig mit anderer Messtechnik kombiniert.Dazu gehören Laser-, Video- oder Weißlichtsensoren zur sogenannten Multisensormessung.